[发明专利]一种锌空电池空气电极催化剂的制备方法

说明书

本发明涉及一种锌空电池空气电极催化剂的制备方法，所述方法通过将PDA碳化形成石墨碳，合成了介孔铁、镍、氮均相掺杂碳催化剂(FeNi/NC)。合成的FeNi/NC催化剂对ORR和OER均表现出较高的催化活性，提高了锌空电池空气电极的活性，从而提高锌空电池的电化学性能。

技术领域

本发明涉及一种锌空电池空气电极催化剂的制备方法，旨在合成一种FeNi/NC催化剂，将PDA碳化形成石墨碳，得到一种能够同时提高ORR和OER的催化活性的方法，属于电池材料领域。

背景技术

可充电锌空气电池因其成本低、资源丰富、理论比能密度高而被认为是最有前途的储能装置之一。然而，由于空气电极反应迟缓和耐久性低引起的低能效和低稳定性阻碍了可再充电锌空气电池的应用。氧气析出反应(OER)发生在充电过程中的空气电极上，而氧气还原反应(ORR)发生在放电过程中的空气电极上。通常，铂基催化剂显示出对ORR的最佳催化性能，而铱或钌纳米颗粒是对OER的最佳催化剂。然而高成本和短循环寿命限制了它们在可充电锌空气电池上的应用。因此，低成本和高效的双功能催化剂的开发迫在眉睫。

研究表明，碳基催化剂对ORR和OER均显示出良好的活性。为了进一步提高它们的活性，需要增加活性位点的数量并提高每个位点的内在活性，多孔结构可以增加表面积，从而提供更多的活性位点，且有利于传质过程的进行。同时，铁的掺杂可以促进ORR活性，镍的掺杂可以加速OER。氮掺杂可以调节电子结构，有利于两个催化过程。为了实现这一效果，本发明的技术方案考虑合成FeNi/NC材料，提高了锌空电池空气电极的活性，从而提高锌空电池的电化学性能。

发明内容

本发明的目的是进一步突破在电催化方面上的短板，提供一种锌空电池空气电极催化剂材料的制备方法，本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：

一种锌空电池空气电极催化剂材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备Ni–Fe PBA材料：

将二水柠檬酸钠、六水合硝酸镍与去离子水混合成A溶液，然后将铁氰化钾与去离子水混合成B溶液。A、B两种溶液分别超声使得分散均匀。然后将A、B两种溶液混合，搅拌15min，溶液在40℃加热1h，然后在室温下静置24h，得到Ni–Fe PBA溶液。

进一步地，所述步骤(1)中，所述A溶液与所述B溶液中去离子水的体积相等，所述A溶液中二水柠檬酸钠的浓度为30-45mmol/L，六水合硝酸镍的浓度为20-30mmol/L，所述溶液B中铁氰化钾浓度为13-20mmol/L。

(2)制备FeNi/NC材料：

将Ni–Fe PBA，三羟甲基氨基甲烷和多巴胺加入蒸馏水中混合，混合物在冰水浴超声5min后，在室温下以600r/min的速度机械搅拌8h，将得到的悬浮液进行过滤并利用去离子水和乙醇洗涤，对洗涤产物进行高温煅烧，将聚多巴胺PDA碳化形成石墨碳，得到FeNi/NC材料。

进一步地，所述步骤(2)中所述混合物中，Ni–Fe PBA与蒸馏水的质量体积比为1g/L，三羟甲基氨基甲烷与蒸馏水的质量体积比为2g/L，多巴胺与蒸馏水的质量体积比为1.2g/L。

进一步地，所述步骤(2)中高温煅烧升温速率为2℃/min，煅烧温度为600℃，保温时间为4h。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案合成了具有高电催化活性、良好化学稳定性的双金属掺杂FeNi/NC催化剂。FeNi/NC催化剂使得可充电锌空气电池具有高功率密度、高能效和高耐久性，显示了双功能铁镍NC催化剂的应用潜力。此外，制备电催化剂所需的原材料储量丰富、价格低廉，在能源储存及转化领域中具有广阔的应用前景。

具体实施方式

实施例1：